Физическая форма материи

В отличие от других, физическая форма материи (ФФМ)5 известна нам, более или менее достоверно, лишь с некоторого относительно простого уровня — лептонов и кварков, выше которого следует уровень «сильнодействующих» (участвующих в «сильных взаимодействиях») элементарных частиц (протонов, нейтронов, мезонов, гиперонов и т. д.), атомов, макротел, космических объектов, включая крупнейшее известное нам образование — Метагалактику, или «нашу Вселенную», «Вселенную в космологическом смысле». Разрабатываются гипотезы о более простых, чем кварки, физических элементах или структурах — протокварках, «струнах» и т. д. Наиболее элементарный, по-видимому, уровень ФФМ — сингулярное состояние остается пока предметом гипотез и, в силу этого, современная физика еще не располагает единой фундаментальной теорией ФФМ. В более укрупненном плане ФФМ может рассматриваться как составленная из двух основных форм физической материи — вещества и поля.

Хотя современная физика не знает как наиболее простых, так и наиболее крупных (больше Метагалактики) уровней физической реальности, в ней получила серьезные основания идея генетического единства ФФМ. Согласно современным представлениям, известная нам физическая реальность возникла из относительно простого сингулярного состояния в результате «Большого взрыва» 10-20 млрд лет назад. Предполагается, что для описания исходного сингулярного состояния и, следовательно, создания фундаментальной физической теории необходима новая концепция, представляющая собой синтез идей квантовой механики и теории относительности.

Не зная нижнего и верхнего пределов ФФМ, мы можем, однако, с большой уверенностью заключить о существовании объединяющих физическую реальность двух наиболее фундаментальных свойств — массы и энергии. «Величина массы и энергии в существенной степени определяет устойчивость и изменчивость элементарных частиц, ядер, атомов и атомно-молекулярных систем, характер их движения, вид взаимодействия, пространственно-временной интервал существования данных физических объектов, геометрические свойства пространства — времени, характер и последовательность ступеней эволюции Вселенной. Разумеется, каждая частная физическая форма материи и движения обладает своими специфическими свойствами, отличающими ее от других форм, однако в целом, в своей тотальности частные физические формы материи характеризуются единым, общим, интегральным свойством — энергией, в которой угасают эти специфические свойства, исчезают различия между частными физическими формами материи и движения. Наличие этого свойства оказывается необходимой основой взаимодействия и взаимопревращения различных физических объектов, позволяет ввести общую меру физического движения, отражающую единство физической реальности, ее отличие от химической, биологической и социальной форм материи»1 .

Фундаментальные свойства масса и энергия находятся в глубокой зависимости, фиксируемой соотношением Эйнштейна E=mc², которое М. Борн назвал законом, выражающим важнейшие результаты теории относительности, позволяющим достичь глубокого объединения наших знаний о мире1 .

Таким образом, физическая форма материи — это масс-энергетический мир.

В рамках целостной ФФМ можно выделить несколько уровней, изучение которых имеет особый частнонаучный и философский интерес.

Вещество и поле. Физика XIX в. рассматривала вещество и поле как две резко различающиеся формы физической материи. С этих позиций вещество дискретно, или состоит из корпускул — атомов, молекул и т. д., имеющих определенную конфигурацию, радиус, массу покоя, траекторию движения. Поле (электромагнитное, гравитационное, мезонное и др.) имеет непрерывный, волновой характер, не делится на корпускулы, не имеет массы покоя, траектории движения, движется со скоростью света. Физика XX в. обнаружила глубокое единство вещества и поля. Оно выражается, во-первых, во взаимопревращениях вещества и поля (когда частицы и античастицы аннигилируют, превращаются в кванты поля и, наоборот, поле рождает из себя частицы вещества); во-вторых, в том, что вещество и поле обладают родственными свойствами.

Обнаружение единства вещества и поля создало огромные теоретические и гносеологические трудности как для физики, так и для философии.

В 1900 г. М. Планк впервые ввел представление о том, что свет распространяется не какими угодно порциями, а только определенными — квантами. Понятие кванта обозначало порции энергии, на которые делится энергия светового потока, и свидетельствовало о том, что свет состоит из своего рода «частиц», которые позднее Эйнштейн назвал фотонами.

В 1913 г. Н. Бор создал первый вариант квантовой теории атома, согласно которой структура атома, распределение его электронных оболочек определяется квантовыми уровнями. В 20-е гг. было установлено, что электроны в своем движении через тончайшую металлическую пластинку проявляют волновые свойства — дифракции и интерференции. В 1925 г. Луи де Бройль высказал замечательную мысль, что элементарные частицы обладают двойственными, противоречивыми свойствами — являются одновременно частицами и волнами. Современная квантовая теория вещества и поля была создана Н. Бором, Э. Шредингером и В. Гейзенбергом. Согласно этой теории, вещество и поле состоят из своего рода частиц, проявляющих в различных опытах либо только корпускулярные, либо только волновые свойства. Так, в счетчике Гейгера электрон ведет себя только как дискретная частица. Когда пучок электронов проходит через кристаллическую решетку или отверстие в диафрагме, он проявляет только волновые свойства.

Противоречивые свойства частиц вещества и поля выражаются в двух необычных, с позиций прежней физики, принципах — неопределенности и дополнительности. Согласно принципу неопределенности, если определяется местонахождение (координаты) частицы, то становится неопределенным ее импульс (p), если же точно определяется импульс частицы, то становятся неопределенными ее координаты (x, y, z). Такого рода «неопределенность», связанная с противоречивой природой микрообъекта, выражается в соотношении неточностей: произведение неточности в определении импульса частицы и неточности в координате больше или равно постоянной Планка (h): Dp_xDx³h, Dp_yDy³h, Dp_zDz³h. Согласно принципу дополнительности полное описание частицы достигается путем совмещения корпускулярного и волнового описания ее.

Обнаружение неожиданных и «странных» свойств микрообъектов первоначально вызвало целый взрыв идеалистических спекуляций. Противоречивая картина микрообъектов послужила поводом для утверждения со стороны некоторых физиков и философов, что микрообъект есть фикция, совокупность ощущений, наш способ понимания показаний приборов. Выдвигалось также представление об индетерминированности поведения элементарных частиц, о «свободе воли» у электрона и т. д. Материалистически мыслящие физики и философы дали, однако, иное истолкование природы микрообъектов. С позиций диалектического материализма, из которых сознательно или стихийно исходили эти ученые, микрообъект является новой для нас формой объективной реальности, которая отнюдь не обязана быть в точности такой, каков макрообъект. Обнаружение странных с позиций макрофизики свойств микрообъектов — подтверждение бесконечного многообразия объективной реальности.

Микрообъект не является, строго рассуждая, ни волной, ни корпускулой, он есть качественно иная реальность, противоречивые свойства которой выражаются в макроскопической форме, посредством макроприбора, в форме волновых и корпускулярных свойств.

Квантовая механика по-новому поставила проблему прибора и объекта, а в связи с этим и проблемы познания, проблему объективно-реального существования. Согласно наиболее основательной интерпретации квантовая механика описывает микрообъект не в «чистом виде», а применительно к макроприбору и, следовательно, в известной мере, применительно к человеку как макроскопическому существу. Это давало некоторым философам повод для отрицания познаваемости микрообъекта как такового. Однако, как убедительно возразил В.А. Фок, макроприбор состоит из микрообъектов, в силу чего его природа отнюдь не чужда природе микрообъектов и поэтому он может адекватно передавать природу последних. Это весьма сильный, но, с нашей точки зрения, недостаточный аргумент в пользу признания познаваемости микромира. Поскольку макрообъект имеет иное, чем микрообъект, качество, необходимы дополнительные аргументы в пользу идеи познаваемости микрообъектов. Эти аргументы заложены в концепции единого закономерного мирового процесса, в диалектике соотношения высших и низших форм (ступеней развития) материи. Однако мы пока оставим их в покое: еще не время собирать камни. Ограничимся лишь замечанием, что описание одного объекта (микро-) применительно, т. е. в отношении к другому (макро-) отнюдь не ставит под сомнение тот факт, что эти объекты действительно познаются нами. Строго говоря, квантовая механика только особенно ярко выявила то обстоятельство, что любые предметы познаются в отношении к другим. Ньютонова механика также представляет собой описание объектов в отношении к другим. Различие состоит в том, что в ньютоновой механике эти объекты качественно однородны — макроскопичны.

Для материалистической философии трактовка квантовой механики как описания микрообъектов применительно к макромиру не является исключительной новостью и потому, что, начиная с Фейербаха, элементарная форма познания - ощущение рассматривалась как отображение объективных качеств вещи применительно к своего рода «прибору» - человеческим органам чувств, или, точнее, применительно к субъекту. Однако квантовая механика открыла качественно более сложный способ соотнесения объекта с прибором и познающим субъектом и поэтому придала проблеме объективной реальности большую сложность и остроту.

Существенной стороной квантовой механики и связанного с ней толкования объективной реальности является вероятностная картина мира, в которой понятия случайности и вероятности приобрели более глубокий смысл. Согласно наиболее принятой интерпретации квантовой механики «волны», в которых обнаруживает себя микрообъект, — это «волны вероятности». Вероятностная картина мира по-иному поставила проблему необходимого мира, т.е. мира необходимостей и закономерностей, что также привело к усложнению проблемы объективно-реального существования мира.

Глубокий микромир. В последние десятилетия основной интерес физики и философии переместился с уровня квантовой теории вещества и поля на более глубокие уровни микромира, начиная с элементарных частиц. В 60-е гг. концепция «бутстрапа» («зашнуровки») пыталась представить уровень элементарных частиц как последний, замкнутый на себя, наипростейший структурный уровень материи. Утверждалось, что элементарные частицы «состоят» друг из друга (например, протон из нейтрона и позитрона), но не из каких-либо более простых частиц. Одним словом, гипотеза бутстрапа претендовала на открытие своего рода «праматерии». В этот период среди советских философов, работавших в области философских проблем физики, получает широкое распространение идея предельно простого уровня материи, предлагается якобы революционный пересмотр идеи бесконечной неисчерпаемости и структурности материи, объявляется несостоятельной теоретическая и логическая формула: элементарная частица состоит из и т. д.

Однако вскоре физики, исходившие из более глубокой идеи неисчерпаемости, структурности элементарных частиц, создают концепцию кварков, т. е. частиц, имеющих дробные (1/3 и 2/3 элементарного) заряды, из которых состоят все элементарные частицы - адроны, участвующие в так называемых «сильных взаимодействиях». Масса кварка кратно превосходит массу «элементарной частицы», в состав которой входят 2-3 кварка. Физика различила несколько видов кварков, которые в свою очередь отличаются по «цвету» и «шарму». Кварки, в отличие от поведения нуклонов в составе атомного ядра, не существуют вне элементарной частицы («невылетаемость» кварка). Взаимодействие кварков осуществляется благодаря другим частицам, названным глюонами. Все многообразие сильнодействующих элементарных частиц современная физика объясняет комбинацией различных видов и свойств кварков. Позднее в физике вводится гипотеза протокварков.

Важнейшее направление развития современной физики — так называемые «Великое объединение» и «Суперобъединение» — попытка свести четыре основных вида физического взаимодействия (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного) к одному фундаментальному взаимодействию, которое позволило бы объяснить физическую форму материи в целом и создать наиболее фундаментальную физическую теорию. В первые мгновения «Большого взрыва» действовала единая универсальная физическая сила, от которой затем отщепляются гравитация и остальные формы взаимодействия. В русле этих исследований разработано, например, представление о «струнах» как одних из наиболее древних физических структур, возникающих в начале Большого взрыва и, возможно, сохранившихся где-нибудь в космосе. Десять погонных метров «струны» диаметром 10^{-28 см обладают массой Луны.}

Проблема развития в физике. В течение столетий физика, изучавшая последовательность различных по сложности уровней: элементарные частицы — ядра — атом — молекулы — макротела — по сути имела дело лишь с фиксированными, «застывшими» результатами развития, своего рода кристаллизовавшимся процессом развития. Идея развития впервые входит в фундаментальные концепции физики с появлением общей теории относительности и созданной на ее основе релятивистской космологии, идеями А.А. Фридмана. Идея развития видимой Вселенной, выраженная в концепции «горячей Вселенной», получила подтверждение в связи с открытием «красного смещения» спектра удаленных галактик (1929) и «реликтового излучения» (1965).

Идея развития Вселенной «...полностью доказана наблюдениями для периода, начиная от нескольких лет, отсчитываемых от сингулярности, до сегодняшнего дня»1. Более поздние исследования позволили приблизиться к «началу» физического развития до долей секунды.

«Установленная современной наукой картина эволюции материи во Вселенной на всех уровнях с необходимостью приводит к выводу о развитии в совершенно определенном направлении: от простого к сложному. Действительно, за все 10-15 миллиардов лет развития материи во Вселенной мы наблюдаем непрерывное усложнение ее структуры и характера связей и взаимодействий между различными материальными системами, а также в пределах одной системы»2. И.С. Шкловский сравнивал «Большой взрыв» с «гигантским геном», в существенной мере предопределившим последующую историю Вселенной.

Проблему развития в физике нередко связывают также с термодинамикой. Широко распространено представление о том, что развитие и самоорганизация — процесс, противоположный второму («деградационному») началу термодинамики, согласно которому замкнутая система стремится к возрастанию энтропии, т.е. к менее организованному состоянию как наиболее вероятному для нее3. Однако, хотя в определенной мере развитие и рост энтропии являются противоположными процессами, действительная связь развития и энтропии оказывается, по-видимому, более сложной. В последнее время идея развития рассматривается в физике также в связи с современной теорией неравновесных процессов — синергетикой.

Материал современной физики позволяет определить специфически физический способ, или форму, развития. С момента «Большого взрыва» развитие ФФМ осуществлялось первоначально путем преимущественно дифференциации, возникновения все большего многообразия физических объектов, затем, все в большей степени, посредством прямого субстратного синтеза, интеграции простых образований в более сложные (например, интеграции элементарных частиц в ядра, атомы, молекулы и т. д.). Важнейшей особенностью этого процесса дифференциации — интеграции является его масс-энергетический характер.

Один из сложнейших вопросов философии и физики - о законах, определяющих развитие физической формы материи. Традиционный (и довольно простой) подход заключается в том, чтобы искать такие специальные физические, химические и другие частнонаучные законы, которые бы непосредственно управляли развитием физической, химической и других форм материи. Однако ни в физике, ни в химии или биологии таких законов не обнаружено. Другой, более глубокий, с нашей точки зрения, подход к проблеме частнонаучных законов развития предложен Т.С. Васильевой1 . С ее точки зрения, вся совокупность законов частных наук выступает, на своем достаточно глубоком и скрытом уровне, в качестве законов развития. В законах физики, химии и биологии содержится скрытый, имплицитный уровень, представляющий собой эволюционное содержание этих законов.

С предложенных позиций логично признать, что, поскольку все физические процессы суть масс-энергетические процессы, связанные с затратами энергии, важнейшим законом физического развития является E=mc².

Обычно физику рассматривают в качестве наиболее зрелой естественной науки, опирающейся на строгие и достоверные методы исследования и являющейся в известной степени эталоном для других частных наук. Однако наиболее общие представления современной физики в некотором существенном плане стоят ниже теоретического уровня современной химии и биологии. Современная биологическая теория эволюции опирается на широкий фундамент химии и физики, например, молекулярной биологии, генетики, без которых они не имели бы сколько-нибудь строгого научного смысла. Иное положение в космологии, основанной на общей теории относительности. Создавая теорию эволюции видимой Вселенной, выдвинув две важнейшие эволюционные космологические модели — «открытую» и «закрытую», физика не опирается при этом на какие-либо лежащие «ниже» ее теоретические основания. С позиций «открытой» модели видимая Вселенная будет бесконечно расширяться, что приведет к замедлению и «смерти» физических процессов, а также, следовательно, биологической и социальной жизни. С точки зрения «закрытой» модели расширение неизбежно сменится сжатием, коллапсом и также гибелью живого.

Однако с позиций философской концепции единого закономерного мирового процесса, фундаментальных положений диалектического материализма физическая форма материи не является наипростейшей формой материи, или «праматерией». С этой точки зрения необходимо выдвинуть гипотезу о существовании дофизических форм материи. Проникновение науки на субфизический уровень позволит глубже понять природу физических объектов и явлений, подобно тому, как физика и химия придали современный научный вид коренным представлениям биологии. До этого момента все физические модели видимой Вселенной и, следовательно, представления о будущем Вселенной, жизни и разума будут оставаться лишь гипотезами.

Природа массы и энергии является крупнейшей проблемой физики. С точки зрения американского физика Ф. Дайсона, нельзя будет до конца понять происхождение и судьбу энергии во Вселенной, рассматривая ее отдельно, вне факта существования жизни и разума. Дайсон глубоко прав: сущность жизни, разума, массы, энергии и других важнейших свойств тех или иных форм материи может быть понята только в контексте единого бесконечного мирового процесса развития.

Согласно представлениям современной физики эволюция физической Вселенной с необходимостью приводит к возникновению атомов, с которыми связана качественная граница, разделяющая физическую и химическую формы материи. К стадии рекомбинации в ходе расширения Вселенной из свыше трехсот типов элементарных частиц «выживают» наиболее устойчивые частицы — нуклоны и электроны, образующие разнообразные и относительно стабильные системы — ядра и атомы. В развитии ФФМ обнаруживается строгая и необходимая объективная логика — от мощных масс-энергетических процессов, в которые вовлечены колоссальные массы и энергия, к слабым масс-энергетическим процессам, связанным с электронной оболочкой атомов. «Коренным качественным скачком в развитии физической формы материи было возникновение атомной организации материи, что означало конец образования разнообразия микрообъектов («развития в микромире») и начало построения макросистем. В атоме синтезированы противоположные свойства: устойчивость и изменчивость, стабильное ядро и лабильная электронная оболочка; благодаря сильному взаимодействию нуклонов, ядра атомов не чувствительны к электромагнитному взаимодействию на уровне электронных оболочек, поэтому основным способом взаимодействия материи на атомно-молекулярном уровне ее структуры оказывается соединение неизменных элементов в изменяющиеся системы, т. е. прямой синтез субстратов, включающий в себя свою противоположность — распад химических систем на составные части»1.

Химическая форма материи является, таким образом, закономерным продуктом развития масс-энергетических процессов, закономерным результатом развития физической формы материи.